Центральное рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства работает следующим образом: вес железнодорожного транспортного средства с его кузова или рамы 1 передается на пружины или комплекты пружин центрального рессорного подвешивания с правой навивкой 10 и пружины или комплекты пружин центрального рессорного подвешивания с левой навивкой 11, с которых он передается опорными поверхностями пружин или комплектов пружин 12 на продольные лонжероны 4 рам 3 тележек 2. Далее рамой 3 вес железнодорожного транспортного средства передается на буксовое рессорное подвешивание 8 через прокладки 9, которым он передается на буксы 7 колесных пар 5, колесами 6 которых вес передается на рельсы. При этом пружины или комплекты пружин с правой навивкой 10 и с левой навивкой 11 центрального рессорного подвешивания сжимаются, и одновременно на опорных поверхностях рамы 3, препятствующих повороту их опорных поверхностей 12, создают горизонтальные торцевые моменты по направлению навивки пружин. Но, так как половина пружин центрального рессорного подвешивания состоит из пружин 10 с правой навивкой, а вторая половина состоит из пружин 11с левой навивкой, их торцевые моменты полностью уравновешивают друг друга и поворота рам тележек относительно кузова и колесных пар не произойдет, дополнительных нагрузок на буксы, подшипниковые узлы и колесные пары не возникнет, а продольные оси тележек останутся параллельными продольной оси транспортного средства.

Установка пружин или комплектов пружин 10 и 11 центрального рессорного подвешивания на рамах 3 или их балках каждой тележки 2 с зеркальным расположением их опорных поверхностей относительно поперечной и продольной осей этих тележек приводит к тому, что вес железнодорожного транспортного средства передается на тележки строго по центру жесткости центрального рессорного подвешивания, совпадающему с центром жесткости буксового рессорного подвешивания 8, что обеспечивает одинаковую осевую нагрузку на все колеса 6 и исключает необходимость ее регулировки прокладками 9.

Установка на опорных поверхностях рам 3 тележек 2 фиксаторов положения опорных поверхностей пружин или комплектов пружин 13 приводит к исключению случайного изменения заданного положения опорных поверхностей 12 пружин или комплектов пружин 10 и 11 при монтаже или в процессе эксплуатации железнодорожного транспортного средства.

Выполнение фиксаторов положения опорных поверхностей пружин или комплектов пружин в виде грузораспределителей по полным окружностям их опорных витков 14 приводит к передаче веса пружинами по полной длине окружности их опорных витков, что приводит к улучшению их работы и повышению надежности.

Все это и приводит к устранению перекоса рам тележек относительно кузова или рамы железнодорожного транспортного средства и перекоса колесных пар с буксами относительно рам тележек, а также устранению неравномерности распределения веса локомотива по его отдельным колесам, что приводит к уменьшению износов подшипниковых узлов, осей и бандажей колесных пар, к устранению нарушений в радиальной установке осей колесных пар, к уменьшению или устранению регулировок осевых нагрузок при изготовлении и эксплуатации железнодорожных транспортных средств, к повышению их эксплуатационных качеств.

Рисунок 1.11 - Центральное рессорное подвешивание в составе железнодорожного транспортного средства, общий вид по патенту RU № 2 298 497 C1.

Рисунок 1.12 - Центральное рессорное подвешивание в составе трехосной тележки, общий вид

Рисунок 1.13 - изображен вид 1 на рисунке 1.12.

Рисунок 1.14 - изображен вид сверху на рисунке 1.12

Рисунок 1.15 - изображен вид сверху на опорные поверхности пружин.

По данному Патенту на изобретение [20] для улучшения ходовых качеств электровоза путем устранения перекоса рам тележек относительно кузова или рамы железнодорожного транспортного средства и перекоса колесных пар с буксами относительно рам тележек, установлены также дополнительные упругие элементы и демпферы. Благодаря их установке достигается также устранение неравномерности распределения веса локомотива по его отдельным колесам, что приводит к уменьшению износов подшипниковых узлов, осей и бандажей колесных пар, к устранению нарушений в радиальной установке осей колесных пар, к уменьшению или устранению регулировок осевых нагрузок при изготовлении и эксплуатации железнодорожных транспортных средств, к повышению их эксплуатационных качеств.

1.4 Устройства модернизации ходовой части электровозов с улучшенной системой поперечного рессорного подвешивания

Кроме того, нами также был сделан анализ по устройствам модернизации ходовой части электровозов с улучшенной динамической системой поперечного рессорного подвешивания.

Так, к примеру, известно дополнительное рессорное подвешивание железнодорожного экипажа по патенту Российской Федерации RU № 2 348 555 C1. (Опубл. 10.03.2009 г. в бюл. № 7) [21].

Техническим результатом данного изобретения является снижение интенсивности колебаний, улучшение динамических показателей железнодорожного подвижного состава, улучшение условий для находящихся в нем людей и оборудования, повышение безопасности движения железнодорожного экипажа.

Указанный технический результат достигается тем, что в дополнительном рессорном подвешивании железнодорожного экипажа, содержащем подрессориваемую раму железнодорожного экипажа, рессорные комплекты, каждый из которых состоит из верхней опоры, упругого элемента, нижней опоры, регулировочных шайб, раму тележки, между рамой тележки и подрессориваемой рамой железнодорожного экипажа установлена промежуточная рама, в которой расположены рессорные комплекты дополнительного рессорного подвешивания с увеличенным статическим прогибом, каждый рессорный комплект снабжен упругим элементом и регулировочными шайбами, опертыми на промежуточную раму посредством нижней опоры, помещенной в стакане, укрепленном на промежуточной раме, причем сверху на упругий элемент через верхнюю опору оперта подрессориваемая рама железнодорожного экипажа.

Упругий элемент может быть выполнен из полиуретана, резины или из стальной винтовой пружины. Благодаря увеличенному статическому прогибу дополнительного рессорного подвешивания (60-70 мм) снизится коэффициент передачи не только высокочастотных, но и низкочастотных возмущений от тележек подрессориваемой рамы, а также уменьшится влияние изгибных колебаний рамы железнодорожного экипажа, передаваемых кузову.

На рисунке 1.16 изображено сечение промежуточной рамы и рессорных комплектов дополнительного рессорного подвешивания железнодорожного экипажа с упругими элементами, состоящими из полиуретана или резины, продольной вертикальной плоскостью, проходящей через плоскость симметрии рессорных комплектов одной стороны экипажа;

На рисунке 1.17 - элемент А рисунка 1.16, сечение рессорного комплекта с упругим элементом из полиуретана или резины.

На рисунке 1.18 изображено сечение промежуточной рамы и рессорных комплектов дополнительного рессорного подвешивания железнодорожного экипажа с упругими элементами, состоящими из стальных винтовых пружин.

На рисунке 1.19 - элемент Б рисунка 65, сечение рессорного комплекта с упругим элементом из стальной винтовой пружины.

Дополнительное рессорное подвешивание железнодорожного экипажа (рисунки 1.16 - 1.19) состоит из подрессориваемой рамы 1 железнодорожного экипажа, рессорных комплектов 2 дополнительного рессорного подвешивания с увеличенным статическим прогибом, каждый из которых состоит из верхней опоры 3, упругого элемента 4, нижней опоры 5, регулировочных шайб 6, промежуточной рамы 7, установленной между подрессориваемой рамой 1 железнодорожного экипажа и рамой тележки 8, в промежуточной раме 7 расположены рессорные комплекты 2 дополнительного рессорного подвешивания с увеличенным статическим прогибом, каждый рессорный комплект 2 снабжен упругим элементом 4 и регулировочными шайбами 6, опертыми на промежуточную раму 7 посредством нижней опоры 5, помещенной в стакане 9, укрепленном на промежуточной раме 7, причем сверху на упругий элемент 4 через верхнюю опору 3 оперта подрессориваемая рама 1 железнодорожного экипажа.

В дополнительном рессорном подвешивании (рисунки 1.16, 1.17) каждый рессорный комплект 2 содержит упругий элемент 4, состоящий из полиуретана или резины.

В отличие от этого в дополнительном рессорном подвешивании (рисунки 1.18,1.19) каждый рессорный комплект 10 вместо рессорного комплекта 2 содержит упругий элемент 11, состоящий из стальной винтовой пружины. В остальном конструкция дополнительного рессорного подвешивания аналогична предыдущему рессорному подвешиванию. В дополнительном рессорном подвешивании с упругими элементами из стальных винтовых пружин необходимо параллельно рессорным комплектам устанавливать демпфера (на чертеже не показаны).

Дополнительное рессорное подвешивание железнодорожного экипажа работает следующим образом.

Рисунок 1.16 - Сечение промежуточной рамы и рессорных комплектов дополнительного рессорного подвешивания железнодорожного экипажа с упругими элементами, состоящими из полиуретана или резины, продольной вертикальной плоскостью, проходящей через плоскость симметрии рессорных комплектов одной стороны экипажа.

Рисунок 1.17 - Элемент А рисунка 1.16, сечение рессорного комплекта с упругим элементом из полиуретана или резины.

Рисунок 1.18 - Сечение промежуточной рамы и рессорных комплектов дополнительного рессорного подвешивания железнодорожного экипажа с упругими элементами, состоящими из стальных винтовых пружин.

Рисунок 1.19 - Элемент Б рисунка 1.18, сечение рессорного комплекта с упругим элементом из стальной винтовой пружины.

Таким образом, в данном Патенте на изобретение [21] упругий элемент может быть выполнен из полиуретана, резины или из стальной винтовой пружины. Благодаря увеличенному статическому прогибу дополнительного рессорного подвешивания (60-70 мм) снизится коэффициент передачи не только высокочастотных, но и низкочастотных возмущений от тележек подрессориваемой рамы, а также уменьшится влияние изгибных колебаний рамы железнодорожного экипажа, передаваемых кузову.

1.5 Обзор патентных источников по конструкциям рессорных элементов транспортных средств

Листовые рессоры, применяемые в рессорном подвешивании локомотивов, обладают рядом специфических конструктивных особенностей, оказывающих существенное влияние на прочностные и упруго-диссипативные свойства : наличие сил трения между листами снижает прогибы и напряжения в листах в зависимости от условий нагружения ; скачкообразное изменение момента инерции поперечного сечения сказывается на напряженном состоянии рессоры при её динамическом нагружении ; на прочностные и упруго-диссипативные качества листовых рессор влияет правильность выбора радиуса гиба отдельных листов и их длин.

Подробный обзор патентных исследований по конструкциям рессорных элементов транспортных средств, составленный по 20 ведущим странам мира с 1975 - 1995 годы ( за 20 лет ), представлены в кандидатских диссертациях Майяса Мохаммед Аль-Махасне (Иордания) на тему «Разработка метода расчёта на прочность листовых рессор транспортных средств с учётом волновой динамики» [10] и Худайкулиева Р.Р. [11] на тему «Разработка метода расчета на динамическую прочность криволинейного многослойного упругого элемента переменного сечения», защищенных в Институте механики и СС АН Республики Узбекистан соответственно в 1997 и 2000 годах. Обе кандидатские диссертации были выполнены в лаборатории «Динамика машин» ИМ и СС АН РУз под руководством доктора технических наук, профессора Хромовой Г.А. Данная магистерская диссертация является логическим продолжением исследований в данной области.

Мы в данном параграфе остановимся лишь на новых разработках при конструировании рессорных элементов, выполненных за последние 5 лет как в Республике Узбекистан, так и за рубежом (на основании анализа патентных материалов Узбекистана, стран СНГ, Франции, ФРГ, США, Японии, Австрии, Англии и т.д.).

Многочисленными исследованиями, проведёнными в последние годы различными научно-исследовательскими организациями, как в Узбекистане, так и за рубежом, показано, что уменьшение динамической нагруженности достигается выбором оптимальной конструкции параметров подвижного состава ( к примеру, рессор в рессорном подвешивании ) как колебательной системы. Наряду с этим опыт эксплуатации показывает, что значительная часть деталей подвижного состава повреждается вследствие напряжений, возникающих при колебаниях, возбуждаемых различными переменными и внезапно приложенными силами, действующими самостоятельно или в сочетании с другими факторами (статические нагрузки, температурные напряжения и др.) [2,3].

Чувствительность к вибрациям имеют многие грузы. По данным МПС России, ежегодно при перевозках бьётся и ломается до 18 млн.м² стекла, около 2 млрд. шт. кирпича, 1 млн. тонн огнеупоров и т.д. Некоторые сыпучие грузы при перевозке уплотняются и тем самым усиливают нагруженность элементов кузова, а также значительно затрудняют их разгрузку. Другие виды сыпучих грузов под действием колебаний приобретают повышенную подвижность и высыпаются через неплотности кузовов. Жидкие грузы не только оказывают существенное воздействие на прочность резервуаров, но и часто теряют своё качество (вспенивание молока, масла, интенсивное испарение и утечки жидкости). При проектировании и эксплуатации локомотивов, пассажирских и отдельных типов грузовых вагонов (рефрижераторных, живорыбных, для перевозки скота и различных специальных вагонов, которые сопровождаются обслуживающим персоналом) необходимо учитывать физиологический критерий плавности хода [1].

В связи с этим при создании предлагаемых новейших конструкций рессорных элементов и модернизации существующих ставятся ряд задач:

- снижение массы упругих элементов рессоры;

- обеспечение возможности гашения как вертикальных (основных), так угловых и крутильных нагрузок на транспортное средство (подвеску) при эксплуатации;

- упрощение конструкции рессоры в целом, возможность обеспечения ремонтопригодности ;

- повышение критерия плавности хода с улучшением динамических качеств гашения рессорного подвешивания;

- обеспечения гашения как низкочастотных, так и высокочастотных составляющих динамической нагрузки путем введения в конструкцию различного типа демпфирующих элементов ( резиновых, «сендвичей» с металлическим или пластмассовым напылением и т.п.) ;

- обеспечение надежности рессорного комплекта и всей подвески в целом ( модернизация с целью продления срока службы (ресурса) ).

Так, к примеру, для предлагаемой рессоры транспортного средства (Патент на изобретение Республики Узбекистан № 3256 ; авторы: Глущенко А.Д., Аль Махасне Майяс (Иордания) и др. // MKИ F 16 F 1/18, 1995 г. [22] ) аналогами и прототипом являются три авторских свидетельства на изобретения:

1). А.с. SU № 638765, МКИ F 16 F 1/18, 1978 г.;

2). А.с. SU № 499423, МКИ F 16 F 1/34, 1976 г.;

3). А.с. SU № 1709141, МКИ F 16 F 1/40, 1992 г. (прототип).

В первой конструкции (a.с. SU № 638765, МКИ F 16 F 1/18, 1978 г.) предлагается рессора, содержащая пакет листов, пластины из демпфирующего материала, расположенные между листами в вертикальной плоскости, хомут, стягивающий листы с пластинами, и металлические вставки, размещенные в теле пластин, причем листы в поперечном сечении выполнены желобчатого профиля с плоскими и опорными скругленными переходными участками. Недостатками данной рессоры являются относительно большой вес, невозможность гашения угловых динамических нагрузок на ходовую часть транспортного средства.

Во второй конструкции ( SU a.с. № 499423, МКИ F 16 F 1/34, 1976 г.) предлагается упругий элемент, содержащий телескопически установленные трубчатые секции, по концам которого присоединены детали крепления на транспортном средстве, причем трубчатые секции выполнены в поперечном направлении незамкнутыми, разными по длине и установлены относительно друг друга дезаксиально. Недостатки этого элемента: большой вес и расход металла.

В третьем изобретении - прототипе - (a.с. № 1709141, МКИ F 16 F 1/40, 1992 г. ) предлагается рессора транспортного средства, содержащая набор металлических пластин и размещенные между ними эластомерные упругие элементы в вертикальной плоскости, причем для повышения надежности за счет равномерного распределения напряжений каждая пластина имеет равномерно расположенные по периметру и отогнутые через один в противоположные стороны под углом к ее плоскости лепестки. Недостатками данной конструкции являются большая металлоемкость, а также гашение только вертикальных нагрузок при эксплуатации транспортных средств.

При создании изобретения ( Патента Республики Узбекистан № 3256 [16] ) задачей являлось создание рессоры транспортного средства со сниженной массой упругих элементов, обеспечивающей возможность гашения не только вертикальных нагрузок при меньшей массе, но и угловых составляющих, возникающих при эксплуатации транспортного средства. Поставленная задача была решена тем, что в рессоре, содержащей упругий элемент в виде пакета закрепленных в хомуте листов в вертикальной плоскости, пакет листов был закручен в средней по длине части.

На рисунке 1.20 (фиг.1) показана рессора транспортного средства предлагаемой конструкции [22]; вид сбоку ; на рисунке 1.21 (фиг.2) - сечение D-D на рисунке 1.20; на рисунке 1.22 (фиг.3) - сечение Е-Е на рисунке 1.20.

Рессора состоит из одного упругого коренного листа 1 и двух упругих листов ступенчатой части 2 и 3. Коренной лист 1 рессоры имеет загибы в виде проушин, которые крепятся на пальцах 4, а пальцы, в свою очередь, вмонтированы в кронштейны 5, жестко связанные с осью колес. Коренной лист 1 рессоры около пальцев 4 расположен в горизонтальной плоскости, далее по длине коренной лист 1 имеет разные углы закрутки _i к горизонтальной плоскости. Цифрой 6 обозначен хомут, 7 - опора, 8 - кузов транспортного средства.

Рисунок 1.20 - 1.22 Рессора транспортного средства по Патенту Республики Узбекистан на изобретение № 3256 [22].

Работает рессора следующим образом. При движении, например, электровоза, по рельсовым неровностям происходят удары колес о поверхность, что передается на кузов 8 электровоза. Благодаря закрученному упругому коренному листу 1 рессора при внешних ударах способна гасить как вертикальные, так и часть горизонтальных нагрузок, при общем числе упругих листов всего 3 шт., хотя в имеющихся конструкциях их может быть 8-10, что снижает общую металлоемкость.

Упругий коренной лист 1 и упругие листы ступенчатой части 2 и 3, деформируясь под нагрузками, снижают общий удар на кузов при движении электровоза. Хомут 6 жестко скрепляет упругие листы 1,2,3 и передает нагрузку на кузов 8 транспортного средства через опоры 7. Пальцы 4 и кронштейн 5 жестко связаны с осью колес электровоза и служат для опирания рессоры.

Решение поставленной задачи для данного изобретения позволяет снизить массу предлагаемой рессоры, устанавливаемой на транспортное средство, а также обеспечивает возможность гашения не только вертикальных нагрузок при меньшей массе, но и угловых составляющих при эксплуатации транспортного средства.

Конструкция упругого элемента по Патенту на изобретение Республики Узбекистан № 3255 ( авторы: Глущенко А.Д., Аль Махасне Майяс (Иордания) и др. // MKИ F 16 F 1/14, 1995 г. [23]) относится к транспортному машиностроению, в частности, к конструкции узлов рессорного подвешивания транспортных средств.

Задачей данного изобретения является разработка упругого элемента, обеспечивающего повышение коэффициента динамичности системы при соблюдении регулирования демпфирующей способности путем создания дополнительного момента трения, способствующего снижению динамических нагрузок на консольный участок вала. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является упругий элемент с регулируемым демпфированием (по авторскому свидетельству SU на изобретение № 1663266, МКИ F 16 F 1/14, 1991 г.), содержащий полый вал с кольцевым поперечным сечением и размещенный внутри него с зазором полый стержень, жестко связанный с помощью элемента крепления с одним из концов полого вала, при этом упругий элемент снабжен обоймой, установленной на полом стержне посредством шлицевого соединения с возможностью продольного перемещения и с натягом внутри полого вала и разделяющей его на две полости, и рабочей средой, подающейся в соответствующую полость через отверстие или через полый стержень. Недостатком данного упругого элемента является низкий коэффициент динамичности системы при его установке на транспортное средство.

В Патенте Республики Узбекистан на изобретение № 3255 (авторы: Глущенко А.Д., Аль Махасне Майяс (Иордания) и др. // MKИ F 16 F 1/14, 1995 г. [23] ) ставилась задача - разработка упругого элемента, обеспечивающего повышение коэффициента динамичности системы при соблюдении регулирования демпфирующей способностью путем создания дополнительного момента трения, способствующего снижению динамических нагрузок на консольный участок вала. Поставленная задача решалась тем, что в упругом элементе, содержащем закрепленный на раме вал с цилиндрической полостью, заполненной вязкой жидкостью, внутри которого размещен стержень, закрепленный одним концом в расточке вала, на втором конце стержня закреплена крыльчатка, лопасти которой образуют сообщающиеся секции внутри полости вала, закрытой с торца крышкой. Между внутренней поверхностью вала и крыльчаткой размещены продольные элементы, например, ролики. Продольные элементы выполнены из упругого материала, например, из резины.

На рисунке 1.23 (фиг.1) показан в разрезе упругий элемент; на фиг.2 (рисунок 1.23) - разрез А-А на фиг.1. Упругий элемент в виде торсиона содержит закрепленный на раме 1 вал 2 с внутренней цилиндрической полостью 3, заполненной вязкой жидкостью. Внутри полости размещен стержень 4, закрепленный одним концом в расточке вала 2 (фиг.1, рисунок 1.23). На втором конце стержня закреплена крыльчатка 5, лопасти 6 которой образуют сообщающиеся секции 7 внутри цилиндрической полости 3 вала 2. Внутри полости размещено уплотнительное кольцо 8. Торец полости вала закрыт крышкой-гайкой 9 с уплотнительным кольцом 10, в которую ввернута пресс-масленка 11 для заправки жидкости внутрь полости.

На разрезе В-В показаны четыре сообщающиеся секции внутренние полости 7 с лопастями 6, заполненные жидкостью, а внутри этих секций для повышения сил трения могут располагаться ролики 12 или резиновые пластины 13, установленные с натягом при передаче динамических крутящих моментов на рычаг 14. Конец вала 2 закручивается относительно оси ОО. При этом стержень 4 не воспринимает деформаций кручения. Поэтому его детали не закручены относительно поверхности Г внутренней полости вала. Наличие роликов 12 или пластин 13, контактирующих с поверхностью Г, создает условия для их движения относительно слоев жидкости в секциях 7. Гидравлическое трение этой жидкости в сочетании с трением пластины 13 создает динамический момент трения, способствующий снижению динамических нагрузок на консольный участок вала 2. Гашение колебаний достигается подбором числа и натяга пластин 13 внутри полостей 7, а также давления и вязкости жидкости.

Упругий элемент в виде торсиона работает следующим образом.

При движении транспортного средства, например, электровоза, по рельсовым неровностям отмечаются тряска и вибрации. Для их гашения необходимы упругие элементы. При наличии внешней вибрации вал 2 (торсион) начинает закручиваться и гасит ее. При этом в данной конструкции наряду с валом 2 начинает вращаться стержень 4, который закреплен с возможностью вращения в расточке вала 2. Вместе с ним начинает вращаться крыльчатка 5, лопасти 6 которой образуют сообщающиеся секции 7 внутри цилиндрической полости 3 вала 2. При вращении крыльчатки 5 в вязкой рабочей жидкости создается дополнительный момент от сил трения, который способствует гашению высокочастотных составляющих нагрузок на колесо электровоза.

Рисунок 1.23 - Упругий элемент по Патенту на изобретение Республики Узбекистан № 3255 [23].

Для предотвращения вытекания жидкости в процессе эксплуатации в верхней части упругого элемента имеется крышка-гайка 9, в которую вставлена пресс-масленка 11 для заправки жидкости внутрь полости.

Таким образом, наряду с возможностью регулирования демпфирующей способности упругого элемента в виде торсиона достигается снижение динамических нагрузок на консольный участок вала, т.е. повышается коэффициент динамичности системы.

Однако, в последнее время перспективным стало направление в конструировании рессорных элементов, связанное с уменьшением габаритов по высоте за счет изменения размеров по ширине. Новейшие конструкции транспортных средств (конкретно, электровозов) выполняются с заниженным полом с целью улучшения комфортабельности перевозок пассажиров. В связи с этим необходимо создавать рессоры с малыми габаритами по высоте, с увеличением размера по ее ширине и за счет этого получения аналогичной демпфирующей способности.

Данной задаче посвящена новая конструкция рессоры, которая была предложена нами по Патенту Республики Узбекистан на изобретение № IАP 02663, (опубл. в БИ №2, 29.04.2005 г) [17].

Рессора по [17] выполнена в виде балки равного сопротивления с переменной высотой листов одинаковой толщины и снабжена размещенными между листами упругими прокладками идентичного профиля, выполненными, например, из высокопрочной резины или стали с полимерным напылением поверхности (рисунок 1.24).

Рисунок 1.24 -Рессора транспортного средства по Патенту Республики Узбекистан на изобретение № IАP 02663, (опубл. в БИ №2, 29.04.2005 г) [17].

1.6 Обоснование задач исследований

Объектом исследования являются многослойные рессорные элементы для электровозов применительно к условиям Средней Азии.

Данная работа выполнялась с целью исследования закономерностей силового нагружения многослойных рессорных элементов локомотивов модернизированной конструкции и разработки методики их расчета на динамическую прочность при импульсных воздействиях, с учетом воздействия температурного фактора в условиях Среднеазиатского региона.

Методика исследований включает в себя анализ систем уравнений в частных производных, описывающих колебания сечений рессорного многослойного элемента переменной изгибной жесткости, решение которой осуществляется методами операционного исчисления Лапласа и дальнейшего использования итерационных методов на ЭВМ на базе методов Фурье и Бубнова - Галеркина.

На основе анализа существующих методов расчёта и опыта эксплуатации рессорных элементов локомотивов были поставлены следующие задачи исследований :

1. Аналитические исследования закономерностей силового нагружения криволинейных многослойных упругих элементов транспортных средств, включающие:

- вывод уравнений колебаний упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы с учетом гидрофрикционного трения между листами;

- исследование колебаний многослойного упругого элемента переменного сечения, изогнутого в плоскости по радиусу R с учетом гидрофрикционного трения между листами;

- разработку алгоритмов и проведение численных исследований для моделирования динамического нагружения упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы с учетом гидрофрикционного трения между листами;

- разработку методики расчёта на динамическую прочность упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы (типа рессор электровозов) с учетом гидрофрикционного трения между листами.

2. Обоснование конструктивных параметров предлагаемой конструкции рессоры электровоза модернизированной конструкции с оформлением заявки на изобретение ( Патент Республики Узбекистан ).

2. Исследование изгибных колебаний рессоры электровоза модернизированной конструкции с учетом влияния гидрофрикционного трения между листами

Нами предлагается новая модернизированная конструкция рессоры электровоза с улучшенными упруго-диссипативными свойствами (заявка на изобретение на Патент Республики Узбекистан № IDP 2011 0235 от 07.06.2011 г. [39] ). Задачей данного изобретения является создание рессоры с повышенной демпфирующей способностью, повышение коэффициента динамичности, создание возможности гашения как угловых ударных динамических нагрузок, так и высокочастотных воздействий на ходовую часть транспортного средства (электровоза), кроме того, снижение материалоемкости.

Поставленная задача решается тем, листы выполнены пустотелыми и снабжены промежуточными элементами в виде тел качения, например, роликов, размещенных в канавках внутри листов, при этом полости внутри листов заполнены вязкой жидкостью, например, нигролом, (литолом, фиолом), а листы выполнены с высотой, уменьшающейся в направлении от средней части к концам, кроме того, между стальными листами имеются упругие прокладки выполненные, например, из высокопрочной резины или стали с полимерным напылением на поверхности.

Решение поставленной задачи позволит получить технический результат в виде повышения демпфирующей способности, повышения коэффициента динамичности, создания возможности гашения как угловых ударных динамических нагрузок, так и высокочастотных воздействий на ходовую часть транспортного средства (электровоза), кроме того, снижения материалоемкости.

Расчетная схема колебаний многолистовой рессоры модернизированной конструкции представлена на рисунке 3.1. Предлагаемая рессора выполнена в виде балки равного сопротивления с переменной по длине толщиной, при этом она набрана из «n» стальных листов одинаковой толщины. Между стальными листами расположены «m» упругих прокладок, выполненных, например, из высокопрочной резины или из стали с полимерным напылением на поверхности. Стальные листы и упругие прокладки скреплены между собой посредством хомутов, причем общее число листов и прокладок: N = n + m ; m = n - 1.

Выполнение рессоры транспортного средства указанным образом позволит достичь технического результата в виде повышения демпфирующей способности за счет введения упругих прокладок, и ремонтопригодности, так как при обнаружении дефекта в рессоре достаточно будет заменить лист с дефектом на новый, а не менять рессору в целом.

Во второй главе данной диссертационной работы представлены теоретические исследования по динамическому расчету многолистовой рессоры локомотивов модернизированной конструкции, в том числе:

- разработка динамической модели колебаний многослойных стержневых систем криволинейной формы типа рессор локомотивов ;

- разработка алгоритмов и численные исследования по моделированию динамического нагружения модернизированной конструкции ;

- выводы по напряженно-деформированному состоянию рессоры локомотива существующей конструкции и модернизированной.

2.1 Разработка динамической модели колебаний многослойных стержневых систем криволинейной формы типа рессор локомотивов

Для исследования колебаний многолистовой рессоры локомотива модернизированной конструкции принимаем модель в виде системы «N» упруго соединенных балок, имеющих криволинейную форму. Расчетная схема представлена на рисунке 3.1.

Для обоснования модели вводим ряд допущений:

1. Модель многолистовой рессоры локомотива модернизированной конструкции характеризуем наличием «n» стальных листов одинаковой толщины, между которыми проложены «m» упругих прокладок, выполненных, например из высокопрочной резины или из стали с полимерным напылением на поверхности, причем профиль их аналогичен профилю стальных листов. Стальные листы и упругие прокладки скреплены между собой посредством хомута, при этом общее число стальных листов и прокладок составляет N = n + m, а число упругих прокладок - m = n - 1. В пределах расчетного пролета L_P рессоры принимаем приближенные функции для всей многолистовой рессоры модернизированной конструкции:

- для функции интенсивности массы 1-го стального листа:

(2.1),

- для функции интенсивности массы «n» стальных листов:

(2.2),

- для функции интенсивности массы 1-го листа упругой прокладки:

(2.3),

- для функции интенсивности массы «m» стальных листов:

(2.4),

- для функции интенсивности массы всей рессоры многолистовой конструкции, состоящей из стальных листов и упругих прокладок:

(2.5).

При этом следует отметить, что ширина листа В₁ согласно [2] выбирается из условий компановки рессоры по сортаментам рессорных сталей, например по ГОСТ 7419-90 «Прокат стальной горячекатанный для рессор». Материал листов - сталь 60С2А ГОСТ 14959. Модуль упругости Е_СТ = 2.1*10⁵ МПа ;

= 7.8 * 10³ кг/м³. Допускаемые напряжения = 1000 МПа.

По сортаменту сталей для рессорных листов принято: ширина стального листа В₁ = 12 см; начальная толщина листа h₁ =1.6 см.

2. Согласно [4] момент инерции для прямоугольного сечения стального листа рессоры модернизированной конструкции будет вычисляться по формуле:

[см⁴] (2.6).

3. Момент сопротивления для прямоугольного сечения стального листа рессоры модернизированной конструкции будет вычисляться по формуле:

[см³] (2.7).

4. Ширину хомута «а» [см] согласно «Методики…» [2] рекомендуется принимать а= В_1, т.е. равной ширине листа рессоры а = 12 см. Общая ширина рессоры согласно рисунке 3.1 равна

h_P = n * h₁ + m * h₁ = ( m + n ) * h₁ = N * h₁ = 5 * 1.6 см = 9.0 см (2.8).

5. Расстояние между точками приложения нагрузок Р₁ на рессору равно L_P = 109.4 см для листовой рессоры рессорного подвешивания тепловоза мощностью 2 х 2940 кВт [2]. Расстояние от плоскости середины хомута до точки приложения нагрузки см.

6. Проектный прогиб под статической нагрузкой согласно [4] f_C = 4.8 см (центре). Максимальная среднестатистическая амплитуда колебаний листовой рессоры локомотивов 2* Y_a = 3 cм ; т.е. У_а = 1.5 см. Принимается по данным расчетов и результатам экспериментальных исследований. При проектировании перспективных локомотивов величину 2 У_а можно принимать равной 3 4 см.

Таким образом, с учетом перечисленных допущений, связанных с конструкцией модернизированной листовой рессоры, проведем вывод уравнений для взаимосвязанных изгибно-продольных колебаний с использованием функционала Остроградского-Гамильтона [5, с.29] и уравнения Эйлера по аналогии с допущениями работ [6-9].

Рассмотрение колебаний осуществляем в системе криволинейных координат, характеризуемых аргументом , временем t для каждого сечения одного из стальных листов, составляющих многолистовую рессору модернизированной конструкции. Упругие деформации растяжения (сжатия) обозначим , изгиба - . По аналогии с работой [14]

Glushchenko A.D, Sh.S.Faizibaev & S.A.Khromov. Model and numeric investigation of impulse contact fields of interface layers. // Proc. of the Univesity of Central Florida, USA. Boundary Element Technology XIV, eds C.A.Brebbia, A.Kassab & M.B.Chopra, E.Divo, Orlando, pp.257-264, 2001.

Продольные силы растяжения (сжатия) будут вычисляться по формуле

(2.9).

Изгибающие моменты будут вычисляться по формуле

(2.10),

где R - начальный радиус рессоры в собранном состоянии, принимается из условия отсутствия обратного выгиба листов рессоры под действием внешней нагрузки. Согласно [2] величину R рекомендуется вычислять по формуле:

= = 191.80064 [см].

Для принятой нами модели получим уравнения для описания процесса колебаний сечений каждого упругого элемента (балки) многолистовой рессоры локомотива модернизированной конструкции:

1. Кинетической энергии

(2.11),

2. Потенциальной энергии упругих деформаций:

- от изгиба и растяжения сечений упругого листа рессоры как кривого стержня [5]:

(2.12),

- от изгиба упругого листа от внешней изгибающей нагрузки P_a (t), приложенное в сечении L = 0.5 * L_P :

(2.13),

где - импульсивная функция 1-го рода, зависящая от L и t ;

- растяжения (сжатия) от нагрузки, направленной по длине эквивалентной балки (силы предварительного сжатия в листах дают упругий отпор в конструкции):

(2.14),

Функционал Остроградского-Гамильтона получим по аналогии с работами [5-9] в виде:

(2.15).

Вывод уравнений колебаний упругого листа переменного сечения для многослойной рессоры модернизированной конструкции, изогнутого в плоскости по радиусу R , проводим с использованием уравнения Эйлера-Лагранжа [5, c.29], которое имеет вид

 ( 2.16),

где ; ; ; ; .

В итоге имеем уравнение продольных колебаний упругого листа переменного сечения многолистовой рессоры модернизированной конструкции, изогнутого в плоскости по радиусу R :

(2.17).

Уравнение (2.17) аналогично уравнению, полученному в работах [7-9], однако, введен учет специфики конструкции многолистовой рессоры модернизированной конструкции [39], в которой упругие стальные листы набраны в виде балки равного сопротивления с переменной по длине толщиной, причем по ширине, а не по высоте, как в существующих конструкциях рессор, например в [ 2,3, 4].

Проведем вывод уравнений изгибных колебаний по f₁ ( t, L ) аналогично выводу уравнений продольных колебаний, с использованием уравнений Эйлера-Лагранжа (2.16) . В итоге ( при условии ₁ ) получим уравнения для изгибных колебаний упругого листа переменного сечения многолистовой рессоры модернизированной конструкции, изогнутого в плоскости по радиусу R :

(2.18).

Полученное уравнение (2.18) аналогично уравнениям, представленным в работах [7-9] , однако, в нем имеется дополнительный учет составляющих, связанных с переменностью сечения и массы по длине каждого листа рессоры модернизированной конструкции; учет переменного действия перерезывающей силы в зависимости от начального радиуса изгиба R и расположения сечения по длине L ; учет импульсного нагружения динамической составляющей сил P_a (t), приложенных по хомуту в точке

L = 0.5 * L_P , ( т.е. в середине расчетного пролета L_P рессоры модернизированной конструкции).

Запишем уравнения (2.17) - (2.18) , пренебрегая произведениями фукнций частных производных, а также вводя следующие допущения:

1). ; 2). ; 3). (2.19)

4). ; 5)..

По условиям эксплуатации считаем основными изгибные колебания. С учетом введенных допущений получим уравнения для продольных и изгибных колебаний рессоры модернизированной конструкции в виде:

- продольных колебаний упругого (стального) листа переменного сечения многолистовой рессоры модернизированной конструкции, изогнутого в плоскости по радиусу R:

(2.20),

- изгибных колебаний упругого (стального) листа переменного сечения многолистовой рессоры модернизированной конструкции, изогнутого в плоскости по радиусу R:

(2.21).

Рассмотрим частные случаи решения системы (2.20) -(2.21) для расчета деформаций ( изгибных и растяжения-сжатия ) для упругих многослойных элементов криволинейной формы типа рессор локомотива при импульсных воздействиях. С учетом введенных допущений, а также пренебрегая влиянием сравнительно с 1 ; членами с и в уравнении (2.17) ; членами с и в уравнении (2.18), после сокращения на Е, получим приближенные уравнения для описания колебаний многослойных упругих элементов типа рессоры локомотива модернизированной конструкции :

- продольных колебаний ( по условиям эксплуатации основными считаем изгибные колебания):

(2.22),

- изгибных колебаний:

(2.23).

Подставив формулы (2.1) - (2.10) в систему уравнений (2.22) - (2.23), получим в результате преобразований:

(2.24).

Получили уравнение с переменными коэффициентами, которое можно решить с помощью метода кусочно-линейной аппроксимации на ЭВМ для каждого конкретного участка L_K. Всю длину L_Р делим численно на 10 участков, равной длиной L_K . Для каждого конкретного участка уравнение (2.24) будет иметь постоянные коэффициенты (A_k1, B_k1, C_k1, D_k1, E_k1, N_dk ) и примет вид:

(2.25),

где для каждого :

(2.26),

где N_d (L,t ) по аналогии с работой [4] - сила трения между листами рессоры по направлению U( L, t ), принята в виде:

(2.27),

где f_p - усредненный коэффициент трения между листами рессоры.

Функцию динамической внешней нагрузки на рессорный элемент принимаем в виде:

(2.28),

где P_a - амплитуда внешней динамической нагрузки;

- частота внешней динамической нагрузки;

t_u - время действия импульса нагрузки.

Данный вид динамического нагружения берется согласно «Методике расчета листовых рессор подвижного состава железных дорог» [4] и обусловлен эксплуатационными нагрузками, возникающими на подвижном составе железных дорог.

Аналогичные операции производим с уравнением (2.25). Получим для каждого участка L = L_К уравнение с постоянными коэффициентами:

(2.29),

где для каждого участка L = L_К :

(2.30).

Решение уравнения (2.29) представим по методу Фурье в виде разложения по собственным функциям:

- для изгибных колебаний:

(2.31),

где Т_К (t) - определяет динамические перемещения сечений рессорного элемента во времени ( определяем применяя преобразование Лапласа по времени к уравнению (2.29)). Применяя преобразование Лапласа к уравнению (2.29) получим в изображениях «К»- число обыкновенных дифференциальных уравнений вида:

(2.32),

при этом при применении преобразования Лапласа получим «К»- число уравнений вида

(2.33),

где имеем в виду

(2.34),

где - собственные функции можно вычислить согласно [5] в виде

(2.35),

где - собственные частоты колебаний рессоры модернизированной конструкции с учетом сил трения между листами, которые соответственно равны:

(2.36),

(2.37),

где ;

с учетом граничных условий для шарнирного закрепления:

1). при L=0 :

; (2.38),

2). при L=L_P :

; (2.39).

Начальные условия:

; (2.40),

Постоянные С_1, С_2, С₃, С₄ определяем из граничных условий (2.38)-(2.39). Подставим (2.35) и ее производные в (2.38) - (2.39), получим следующую систему уравнений:

С₂ *щ_К² - С₄ *щ_В² = 0 ; (2.41);

С₂ + С₄ = 0 ; (2.42);

С₁*sh (щ_K*L_P) + С_2*ch (щ_K*L_P) +С₃*sin (щ_B*L_P) +С₄*cos (щ_B*L_P)=0 (2.43);

С₁*щ_K² * sh (щ_K*L_P) + С_2* щ_K² * ch (щ_K*L_P) +

С₃* щ_B² * sin (щ_B*L_P) - С₄* щ_B² * cos (щ_B*L_P) = 0 (2.44).

В результате решения системы (2.41) -(2.44) получим значения коэффициентов С_1, С_2, С₃, С₄ в виде:

С₂ = 1 ; (2.45),

(чтобы получить нетравиальное решение однородной системы (2.41) -(2.44), полагаем одну из неизвестных постоянных равной 1, т.е. решение однородного уравнения определяем с точностью до постоянного множителя ). Далее из системы (2.41) -(2.44) определяем выражения для трех оставшихся неизвестных

С₁ = - сh (щ_K*L_P) / sh (щ_K*L_P) ; (2.46),

(2.47),

(2.48).

Подставим решение (2.31) в виде разложения по собственным функциям:

(2.49),

Подставив (2.49) в уравнение (2.35), получим с учетом [25] :

(2.50),

Согласно условию ортогональности собственных функций

(2.51);

если не зависит от L , тогда ( на каждом «К» - участке)

(2.52);

или T_OK = P_D (t) * A_NL , где

(2.53);

Получаем изображение функции T_K(q) :

(2.54),

где - частота колебаний рессоры с учетом сил трения между листами и силы предварительного натяжения.

Оригинал решения согласно [25] будет иметь вид:

(2.55),

где введены следующие обозначения:

; ;

где для каждого участка L = L_К :

; ;

(2.56),

;

Для продольных колебаний рессоры локомотива модернизированной конструкции используем уравнение (2.25) и метод Фурье. Решение будем искать по аналогии с изгибными колебаниями в виде :

(2.57).

Решение по собственным формам U_K (L) можно на основании работы [5] представить в форме :

(2.58),

где и p_k - собственная частота продольных колебаний упругого криволинейного элемента типа рессоры локомотива.

В зависимости от условий закрепления концевых сечений меняются значения коэффициентов С₁, С₂, С₃, С₄ в формулах (2.51) - (2.53) при поперечных колебаниях для функции f_K (L), а также меняются коэффициенты D₁ и D₂ - в формуле (2.58) при продольных колебаниях для функции U_K (L). Соответственно этому меняется эпюра распределения напряжений по длине упругого элемента. Попробуем исследовать данный эффект на примере решения уравнения (2.25) для продольных колебаний, с учетом взаимовлияния изгибных колебаний на продольные ( в виде дополнительного члена , получающегося при решении уравнения (2.32).

Подставим решение (2.57) в уравнение (2.25), получим для каждого

«К» - участка уравнение с постоянными коэффициентами в виде:

(2.59),

где введены следующие обозначения для каждого участка L = L_К :

;

;

;

;

;

где N_D ( L, t ) - сила трения между листами рессоры по направлению U_K ( L, t ), принята в виде

(2.60),

где f _P - усредненный коэффициент трения между листами рессоры.

Функцию динамической внешней нагрузки на рессорный элемент принимаем в виде:

(2.61),

где Р_а - амплитуда внешней динамической нагрузки;

щ_а - частота внешней динамической нагрузки;

t_и - время действия импульса нагрузки.

Данный вид динамического нагружения принимается согласно «Методике расчета листовых рессор подвижного состава железных дорог» [4] и обусловлен эксплуатационными нагрузками, возникающими на подвижном составе железных дорог.

В уравнении (2.59) введено обозначение вида

(2.62),

где М _к (L = L _k ) - имеет фиксированное значение для каждого участка

L = L _{k ,} Т _к ( t ) - вычисляется по формуле (2.55).

Граничные условия при продольных колебаниях могут изменяться. Поэтому проведем их варьирование в программе численного расчета.

Если мы при продольных колебаниях имеем свободное сечение, то

; (2.63);

Если граничные сечения модернизированной рессоры закреплены для свободного перемещения, то

; (2.64);

Если концы рессоры локомотива имеют упругие связи на концах (наиболее общий случай), тогда

...